频谱搬移PPT课件

1、1概述概述1地位通信系统的基本电路。2特点对电路中信号频谱进行的变换，电路有新频率成分产生。为此，需引用一些信号与频谱的概念。第1页/共58页23信号与频谱信号的三种表示法：表达式、波形图、频谱图。载 波复音调制波单音调制波频 谱波 形表达式信号maxnmnn 1u (t)Ucosn tu (t)U costccmcu (t) U cost第2页/共58页34两种类型的频谱变换电路 频谱搬移电路：将输入信号的频谱沿频率轴搬移。例：振幅调制、解调、混频电路(本章讨论)。 特点：仅频谱搬移，不产生新的频谱分量。 频谱非线性变换电路：将输入信号的频谱进行特定的非线性变换。 例：频率调制与解调电路(第

2、 7 章讨论)。 特点：产生新的频谱分量。 第3页/共58页4 由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化。(SSB)：抑制载波的单边带调制。振幅调制的三种方式：(AM)：普通的调幅；(DSB)：抑制载波的双边带调制； 是使高频振荡的振幅与调制信号成线性关系，其它参数(频率和相位)不变。什么是振幅调制？第一节 振 幅调 制第4页/共58页5u = Ucost （一） 调幅波的分析1、表示式及波形设载波电压为:调制电压:uC = UCcosct已调波振幅：)cos1 ( cos)()(aCaCCCmtmUtUkUtUUtU调幅度：CaCCaUUkUUm调幅信号表达式:AMmcCc( )

3、( )cos (1cos)cosutUttUmtt第5页/共58页6（一） 调幅波的分析1 、表示式及波形调幅度aCk UmU调幅信号表达式AMCcu(t)U (1mcost)cost m1调制信号波形载波波形已调波波形波形表示第6页/共58页7（一） 调幅波的分析调幅度调幅信号表达式AMCcu(t)U (1mcost)cost m1aCk UmU调制信号波形载波波形已调波波形波形表示第7页/共58页8m1（一） 调幅波的分析调幅度调幅信号表达式AMCcu(t)U (1mcost)cost aCk UmU调制信号波形载波波形波形表示已调波波形 过调制！第8页/共58页9（一） 调幅波的分析1

4、、表示式及波形调幅信号表达式AMCcu(t)U (1mcost)cost 连续频谱信号f(t)uAM ( t ) =UC1 + m f (t)cosct若调制信号为：1 )cos()(nnnntUtf则调幅波表示式为：ttmUtunnnnc1 CAMcos)cos(1)(式中，mn=kaUn/UC第9页/共58页10（一） 调幅波的分析1 、表示式及波形连续频谱信号f(t)调幅波表达式: uAM ( t ) =UC1 + m f (t)cosct调制信号已调波第10页/共58页11（一） 调幅波的分析1 、表示式及波形AM信号的产生原理图或第11页/共58页122、调幅波的频谱调幅波的三角展开

5、：AMCcCcCc( )coscos()2 cos()2utUtmUtmUt 带宽BAM2F分析： 单频调制(1)频谱的中心分量；(2)两个边频分量；这说明调制信号的幅度及频率消息只含于边频分量中。调制信号频谱载波频谱已调波频谱第12页/共58页132、调幅波的频谱BAM = 2Fmax 信号带宽是决定无线电台频率间隔的主要因素，如通常广播电台规定的带宽为9 kHz，VHF电台的带宽为25 kHz。多频调制AM信号占用带宽：调制信号频谱已调波频谱第13页/共58页143、调幅波的功率 载波功率2CcL2UPR上下边频的平均功率24cmP边频PAM信号的平均功率21 d212cavmPtPPAM

6、Ccu(t)U (1mcost)cost 设：负载电阻RL两边频功率与载波功率的比值：22m载波功率边频功率第14页/共58页15 例6-1 已知已调幅信号的频谱图如图所示。2V0.3V0.3V1031000.1f(kHz)999.9 1) 写出已调信号电压的数学表达式： 2) 计算在单位电阻上消耗的边带功率和总功率以及已调波的频带宽度。 解：1) 根据频谱图知3 . 023 . 021aooamVVVVm因此vAM(t)=2(1+0.3cos2102)cos2106t(V)。 2) 载波功率 )W(2221RV21P22oOT双边带功率 )W(09. 023 . 021Pm21P2oT2aD

7、SB总功率 )W(09. 209. 02PPPDSBoTAM 已调波的频带宽度 200F2BAM(Hz) 第15页/共58页16AM波的缺点： （一） 调幅波的分析特别是AM波解调很简单，便于接收。功率浪费大，效率低。AM波的优点：（1）设备简单。（2）AM占用的频带窄。第16页/共58页17（二）双边带信号1. 表达式DSBCcu(t)kU U costcost cg(t)costf(t)U cost当时表达式为：DSBCu(t)kf(t)u第17页/共58页18（二）双边带信号2.波形调制信号波形载波波形已调波波形 相位跳变！第18页/共58页19（二）双边带信号与AM波相比，DSB信号的

8、特点: AM波的包络正比于调制信号f(t)的波形，而DSB波的包络则正比于|f(t)|。 DSB信号的高频载波相位在调制电压零交点处(调制电压正负交替时)要突变180。(1) 包络不同。(2) 180。相位跳变。 （3）DSB信号只有上、下两个边频带，所占频谱宽度为 max2DSBBWF， maxmax2F与AM信号具有相同的带宽。第19页/共58页202. 单边带调幅波 上边频与下边频的频谱分量对称含有相同的信息。也可以只发送单个边带信号，称之为单边带通信(SSB)。t )cos(Vm21) t (Vooat )cos(Vm21) t (Vooa其表达式为： 或maxSSBFB其频带宽度为：

9、上边频 下边频第20页/共58页21单边带调幅波的波形tVv000cos tVv cost )cos(Vm21) t (Vooa 下边频单边带调幅波的频谱第21页/共58页22（三）单边带信号语音调制的SSB信号频谱第22页/共58页23（三）单边带信号SSB波的优点： （1）功率利用率高。（2）频带利用充分。BSSB Fm目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。第23页/共58页24电压表达式普通调幅波tcos) tcosm1 (V0a0载波被抑制双边带调幅波tcostcosVm00a单边带信号t )cos(V2m00a00(cos() )2amVt或波形图 频谱图0-0+m0aVm210-

10、0+m0aVm21信号带宽)2( 2)2( 2()20-0+表6-1 三种振幅调制信号tvo第24页/共58页25调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量，也就是说都需要用非线性器件来完成频率变换。带通v AM(t)ov(t)V0(t)(a) 普通调幅波实现框图 v(t)vDSB(t)vo(t)(b) 抑制载波的双边带调幅波v(t)v DSB(t)带通v SSB(t)v o(t) 0+或0(c) 单边带调幅波实现框图原理框图如下：概述6.3振幅调制方法与电路振幅调制方法与电路第25页/共58页26高电平调幅电路一般置于发射机的最后一级，是在功率电平较高的情况下进行调制。低电平调幅电路一

11、般置于发射机的前级，再由线性功率放大器放大已调幅信号，得到所要求功率的调幅波。按调制电路输出功率的高低可分为：第26页/共58页271. 简单的二极管调幅电路 + C L R + vo v + vo + vD i 二极管调幅电路调制信号和载波信号相加后，通过二极管非线性特性的变换，在电流i中产生了各种组合频率分量，将谐振回路调谐于0，便能取出和的成分，这便是普通调幅波。(1) 平方律调幅二极管信号较小时的工作状态3D32D2D10vavavaaitcosVtcosVc000Dvvv当vD很小时，级数可只取前四项低电平调幅电路低电平调幅电路第27页/共58页28 利用三角公式展开，并分类整理，可

12、得 tcosVtcosV0010aai t2cos1V21tcostcosVVt2cos1V2120000202a t3costcos3V4100303a t2cos21t2cos21tcosVV230020 t2cos21t2cos21tcosVV23000220t3costcos3V413 第28页/共58页290300320020010)coscos()coscos()coscos(tVtVtVtVtVtVaaaai)(222020VVaa022022Va02VVa2034302VVa20343033034Va0203303012343VVaVaVa00VVa02VVa022020343

13、VVa2020343VVa2222Va33341VaVVaVaVa2033312343第29页/共58页3020020010)coscos()coscos(tVtVtVtVaaai如果静态工作点和输入信号变换范围选择合适，非线性器件工作在满足平方律的区段。0)(222020VVaa022022Va02VVa2034302VVa20343033034Va0203303012343VVaVaVa00VVa02VVa022020343VVa2020343VVa2222Va33341VaVVaVaVa2033312343第30页/共58页31经分类整理可知： 是我们所需要的上、下边频。这对边频是由平方

14、项产生的，故称为平方律调幅。其中最为有害的分量是 项。020cos21 )(coscoscos)(1210002001tVaaVatvttVVatVatv经滤波后平方律调幅器数学表达式:平方律调幅器的调制度：Vaama122第31页/共58页32 ( 2).平衡调幅器 平衡调制是由两个简单的二极管调幅电路对称连接组成。载波成分由于对称而被抵消，在输出中不再出现，因而平衡调制器是产生DSB和SSB信号的基本电路。+D1Tr11:12+vv+vD2+D2Tr3Tr221:1voviLi1i2vD1i1i2+vvRDD2RD2RL2RLvo 单管调幅器频谱中所含的直流分量、载波分量以及载波的各次谐波

15、分量，在平衡调制器里都被抑制掉了。平衡调制器原理图及其等效电路第32页/共58页33如果要获得抑制载波的双边带信号，观察输出电流表示式20020010)coscos()coscos(tVtVtVtVaaai120020010)coscos()coscos(tVtVtVtVaaai2总的输出电流总的输出电压21iiiRo21iiv0)(222020VVaa022022Va02VVa2034302VVa20343033034Va0203303012343VVaVaVa00VVa02VVa022020343VVa2020343VVa2222Va33341VaVVaVaVa2033312343平衡调幅

16、电路第33页/共58页34 (2)普通调幅波的高频振荡是连续的，可是双边带调幅波在调制信号极性变化时，它的高频振荡的相位要发生180的突变，这是因为双边带波是由v0和v相乘而产生的。（1）它虽然是调幅波，但因失去了载波，因而包络不能完全反映调制信号变化的规律，这就给以后的解调工作带来困难； 平衡调制器的重要优点就是有效地抑制了载波，其条件是Tr1和Tr2对中心抽头来说必须严格对称，D1，D2两管的特性完全相同。实际上，这是很难做到的。如果电路稍有不平衡，载波电压就会泄漏到输出端。抑制载波的双边带信号波形如图所示，它有两个重要的特点：tvo平衡调制器输出的电压波形第34页/共58页35平衡开关调

17、幅器 在大信号情况应用时，依靠二极管的导通和截止来实现频率变换，这时二极管就相当于一个开关。 满足 的条件时，二极管的通、断由载波电压决定。 VV0输出调幅波有用电流分量tvo平衡调制器输出的电压波形tsctcoVgiD00s20第35页/共58页36) t (S) t (SRRDLDDavvit3cos32tcos221) t (S00 t3cos32tcos221) tcosVtcosV(0000ai t )cos(t )cos(V) t2cos1 (VtcosV21tcosV21000000a t )3cos(t )3cos(V t2cost4cos3V000000 1.单管开关调幅器第

18、36页/共58页37vvvvvv02D01D令二极管导通时的电导DDR1g故通过二极管的电流为： )(11tSgDDvi)t(Sg2DD2vi) t (Sg2D21Lviii将) t (S和tcosVmv代入，得输出电流为 t3cos32tcos221tcosVg200mDLi tcost )cos(Vg2tcosVg00DD )t (3cos(t )3cos(V3g200D 1. 平衡开关调幅器第37页/共58页38ttvo电流波形电压波形) t (Sg2D21Lviii第38页/共58页39Trv0+vC32/5p+D2vD2D1vD1C2i1i2R32.2k4747R1R2vout2/5

19、pC10.01v0v0平衡调幅器的一种实用电路 电路中C1接地为边带信号提供交流通路；R1和R2配合电位器R3来平衡二极管正向特性的不对称；C2和C1的作用是平衡二极管反向工作时结电容的不对称。调制电压单端输入，边带信号经调谐于载频的回路单端输出， +D1Tr11:12+vv+vD2+D2Tr3Tr221:1voviLi1i2vD1i1i2+vvRDD2RDvo第39页/共58页403. 环形调制器在平衡调制器的基础上，再增加两个二极管，使电路中4个二极管首尾相接构成环形，这就是环形调制器。D1Tr1Tr2iLD4D321:1v021:1v RLvv +v0+v +D2环行调制器原理图 D1

20、Tr1 Tr2 i1 21:1 v0 21:1 RL + v + + D2 v i2 iL1 Tr1 Tr2 i3 21:1 v0 21:1 RL + v + + v i4 iL1 iLK D4 D3 (b) (a) 环型调制器等效电路第40页/共58页41环形调制器输出电流的有用分量:= gDVcos(0)t+cos(0)t0i4 振幅比平衡调制器提高了一倍，并抑制了低频分量，因而获得了广泛应用。iL=iL1+iL2)(2211tSgDLviii)(2432tSgDLviii)(421tSgDLLLviii第41页/共58页42单边带通信设备复杂、价格昂贵，收发信机需要很高的频率稳定度及其它

21、技术措施。单边带通信优点:1.节约频带2.节省功率3.受传播条件影响小,抗选择性衰落能力强缺点:第42页/共58页434. 产生单边带信号的方法(1) 滤波法 v v0 v DSB o 带通滤波器 vSSB o+ (或)0 单边带 输 出 0 0max 0+max 0+max 0 滤波器法实现单边带调制DSB信号经过带通滤波器后，滤除了下边带，就得到了SSB信号。由于0max，上、下边带之间的距离很近，要想通过一个边带而滤除另一个边带，就对滤波器提出了严格的要求。第43页/共58页44FBM1音频1BM22BM33强放f2+f1+Ff1Ff1+Ff2(f1+F)f2(f2+f1+F)OSC1O

22、SC2OSC3f1f0+Ff1+f2+f3+F=f0+Ff2f3实际滤波器法单边带发射机方框图 必须强调指出，提高单边带的载波频率决不能用倍频的方法。因为倍频后，音频频率也跟着成倍增加，使原来的调制信号变了样，产生严重的失真。这是绝对不允许的。问题：为什么不用倍频的方法来提高单边带的载波频率?第44页/共58页45 低放 环形 调幅器 上边带滤波器 0.33kHz 语言信号 I路 I 100kHz 100kHz 相加 网络 环形 调幅器 LC 滤波器 平衡 调幅器 LC 滤波器 强放 I 100.3 103 97 99.7 kHz 100kHz 环形 调幅器 低放 语言信号 II路 下边带 滤

23、波器 100kHz II I II 100kHz 频率 合成器 下边带 353kHz 706kHz 1412kHz 17533253kHz 36066606kHz 731213312kHz 100kHz kHz II I I II II I 253 353 453 253kHz 1500kHz 1.53MHz (间 隔1kHz) 36MHz (间 隔2kHz) 612MHz (间 隔4kHz) II 0.33kHz I II 第45页/共58页46(2) 相移法相移法是利用移相的方法，消去不需要的边带。如图所示 调制信号 V0sint 调制信号 90移相网络 载波 90 移相网络 平 衡 调幅

24、器 A 平 衡 调幅器 B V0cos0t v 2=Vcostcos0t V0sin0t V1=Vsintsin0t 合 并 网 络 v3 单边带 输 出 载 波 振荡器 V0cost 相移法单边带调制器方框图 图中两个平衡调幅器的调制信号电压和载波电压都是互相移相90。)tcos()tVcos(0021 sinsin01ttVv)cos()cos(21 coscos0002ttVttVv因此，输出电压为t )cos(KV)(K0213vvv第46页/共58页47这种方法原则上能把相距很近的两个边频带分开，而不需要多次重复调制和复杂的滤波器。但这种方法要求调制信号的移相网络和载波的移相网络在整

25、个频带范围内，都要准确地移相90。这一点在实际上是很难做到的。第47页/共58页48(3) 修正的移相滤波法 BM1 v1= vv 低通 滤波器 BM3 90移相 网络 v=cos1t BM2 低通 滤波器 BM4 v2= vv v=sin1t 音频 振荡器 BM-平衡调幅器 音频输入 V(t)=sint 90移相 网络 v0=cos2t v0=sin2t 载波 振荡器 合并 网络 v3v4 SSB输出 v1=sint sin1t v1=cos(1)t v3= v0v2 =sin2t cos(1-)t v2=sint cos1t v2=sin(1)t v4=v0 v2=cos2t sin(1)

26、t 这种方法所需要的90移相网络工作于固定频率1与2，因此制造和维护都比较简单。它特别适用于小型轻便设备，是一种有发展前途的方法。t )sin(12第48页/共58页49高电平调幅电路能同时实现调制和功率放大，即用调制信号v去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度Vcm来实现调幅的。VCC对工作状态的影响过压欠压0临界VCC1cmI0cIcmV欠压过压0临界Vbm1cmI0cIBZBBbmVVVcmVVbm对工作状态的影响高电平调幅电路根据调制信号控制方式的不同，对晶体管而言，高电平调幅又可分为基极调幅和集电极调幅。第49页/共58页50高电平调幅电路需要兼顾输出功率、效率和调制线性的要求。最常用

27、的方法是对功放的供电电压进行调制。1. 集电极调幅电路 vb(t) + + VcT + VBB + Vc(t) + vCE vBE + L C vc v + 集电极调幅电路调制信号 经低频变压器加在集电极上，并与直流电源电压VcT相串馈。高频载波v0(t)=v0cos经高频变压器加在基极回路中。tcosvv第50页/共58页51集电极调幅在调制信号一周期内的各平均功率为：1) 集电极有效电源电压Vc(t)供给被调放大器的总平均功率)m211(PP2aTav2) 集电极直流电源VcT所供给的平均功率则为COTCTTIVPP3) 调制信号源Vc供给的平均功率COTCT2aavcIV2mPPP4)

28、平均输出功率)m211 (PP2aT0oav5) 集电极平均耗散功率2c211aCTavmPP输出信号为:Vc(t)=Vc(t)cos0t=VcT + v1cost cos 0tCTaVVm第51页/共58页526) 集电极效率T2aT2aoTavoavav)2m1 (P)2m1 (PPP故：2) 总输入功率分别由VCT与VC所供给，VCT供给用以产 生载波功率的直流功率P=T，VC则供给用以产生边 带功率的平均功率PDSB。1) 平均功率均为载波点各功率的( )倍2am2113) 集电极平均耗散功率等于载波点耗散功率的( )倍， 应根据这一平均耗散功率来选择晶体管，以使PCMPcav。2am2114) 输出的边频功率由调制器供给的功率转换得到，大功 率集电